May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC 1 CHƯƠNG 1 TỰ ĐỘNG HÓA QÚA TRÌNH SẢN XUẤT – SỰ RA ĐỜI CỦA MÁY CNC Trong nửa thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự ra đời và phát triển như vũ bão của KTĐK tự động. Và nhanh chóng KTĐK tự động đã được ứng dụng vào công nghệ chế tạo sản phẩm cơ khí. Sự phát triển của tự động hóa QTSX có thể được tóm lược như sau. 1.1/ NC (Numerical Control) 1.1.1/ Lòch sử ra đời của NC. Cũng như các kỹ thuật tiên tiến khác, NC ra đời vào đầu thập niên 50 tại phòng thí nghiệm của học viện Massachusetts. Khi mới ra đời, máy NC chỉ có thể cắt được những đường thẳng chính xác và hiệu qủa. Điều này gây ra rất nhiều khó khăn vì máy phải thực hiện vô số các đường thẳng ngang, dọc để gia công các biên dạng cong (hình 1.1) Hình 1.1 Vấn đề này dẫn đến sự ra đời của APT (Automatically Programme Tools). Đây là loại ngôn ngữ lập trình đầu tiên cho NC, dùng các câu lệnh tiếng Anh để đònh nghóa đường di chuyển hình học, dụng cụ và các chỉ thò cần thiết khác. Đây cũng là tiền đề cơ bản cho sự phát triển của NC. Ban đầu chương trình NC được mã hóa trên các băng đục lỗ, sau đó dùng các băng từ. Sau khi máy tính ra đời, các băng đục lỗ, băng từ được thay thế bởi thiết bò xử lý dự liệu của máy tính. 1.1.2/ Máy NC là gì Máy NC bao gồm 2 bộ phận chính. a) Bộ điều khiển máy (Machine Control Unit : MCU) Là bộ phận thực hiện các chức năng sau: - Đọc và giải mã chương trình - Đưa ra các lệnh điều khiển - Nhận các tín hiệu phản hồi và xử lý. MCU bao gồm 2 bộ phận sau: • DPU (Data processing Unit): Bộ xử lý dữ liệu • CLU (Control Loop Unit) : Bộ thực hiện điều khiển DPU Đọc các dữ liệu từ chương trình trên băng đục lỗ, đóa từ,…và giải mã các tín hiệu này thành các dự liệu số. Sau đó gửi tín hiệu đến CLU. May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC 2 CLU nhận các dự liệu được giải mã từ DPU, đưa ra các lệnh điều khiển máy, nhận các tín hiệu phản hồi so sánh và xử lý cho đến khi đạt độ chính xác yêu cầu. DPU sau đó sẽ đọc khối lệnh tiếp theo. b) Máy công cụ (Machine Tool): Tương tự như các máy công cụ thông thường, nhưng các chuyển động của các trục được thực hiện bởi động cơ servo hoặc động cơ bước thông qua truyền động vít me đai ốc bi (sẽ trình bày ở chương sau). Trên hình 1.2 là sơ đồ các thành phần cấu tạo của máy NC Hình 1.2. thành phần của máy NC Máy NC đã khắc phục được những hạn chế mà các máy công cụ truyền thống không thực hiện được. Với máy NC, độ chính xác gia công cao hơn, tiết kiệm dụng cụ hơn, dễ tự động hóa hơn. Sự ra đời của NC cũng đã đưa đến sự ra đời của hàng loạt các phương pháp gia công hiện đại, tiên tiến khác như: EDM Laser Cutting Electron Beam welding Water jet………… Số xung ⇒ vò trí của trục Tần số xung: tốc độ các trục May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC 3 1.2/. DNC (Direct NC): Vào giửa thập niên 60, với sự ra đời của máy tính, người ta đã nghó đến việc thay đổi việc mã hóa dữ liệu trên băng đục lỗ, băng từ bằng máy tính nhằm giảm bơt các yêu cầu về phần cứng, lập trình đơn giản hơn, nhanh chóng và linh hoạt hơn. Vào thời điểm này, máy tính rất đắt tiền nên người ta dùng một máy chủ (host) để điều khiển chung nhiều máy NC qua mạng kết nối. Hệ thống trên gọi là DNC (Hình1.3) Hình 1.3. Hệ thống DNC 1.3/. CNC (Computer Numerical Control) Vào cuối thập niên 60, sự ra đời của công nghệ vi xử lý đã đưa đến sự xuất hiện của PLC, Microcomputer. Các thiết bò này ngay sau khi ra đời đã được ứng dụng trên các máy NC, và thế hệ máy CNC đã ra đời. Với CNC, mỗi máy NC được phục vụ bởi 1 PLC hoặc Computer riêng. Điều này cho phép chương trình có thể nhập và lưu trữ riêng trên mỗi máy CNC. Nhưng lại xuất hiện các vấn đề mới đó là quan lý dữ liệu (giữa các máy không có sự liên hệ chặt chẽ với nhau). Cac thành phân cơ bản của máy CNC bao gồm: Hình 1.4 • 1/. Chương trình gia công (Part program ) • 2/. Thiết bò đọc chương trình (Program input device ) • 3/. Machine control unit (MCU) • 4/. Hệ thống truyền động (Drive system ) • 5/. Máy công cụ (Machine tool) 6/. Hệ thống phản hồi (Feedback system) May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC 4 Hình 1.4. Cấu trúc của máy CNC 1.4/ DNC II (Distributed NC) Để việc quản lý dữ liệu giửa các CNC tốt hơn, hệ thống DNCII đã được đưa vào ứng dụng trong sản xuất, là sự kết hợp giửa DNC và CNC. Hệ thống DNC II bao gồm các máy tính chủ (Host Computer) và các máy tính cục bộ (Local computer) kết nối với nhau. Nó cho phép các chương trình gia công được lưu trên máy chủ nên việc quản lý tốt hơn. Các chưưng trình này có thể được download xuống các local computer hoặc PLC. Và ta cũng có nhập chương trình và dao diện trực tiếp từ các máy cục bộ (local). Và nếu máy chủ bò ngưng thì các máy CNC vẫn có thể hoạt động bình thường. Đây là ưu điểm cơ bản của DNC II so với DNC. May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC 5 Hình 1.5. Hệ thống DNCII 1.5. Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS: Flexible Manufacturing System) Vào giửa thập niên 60, công ty Molins Ltd (anh) đã phát triển hệ thống 24, là tiền thân của hệ thống FMS. Tuy nhiên do hạn chế về kỹ thuật nên hệ thống sản xuất linh hoạt vẫn chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết, ý tưởng trong suốt những năm 60s, 70s. vào cuối thập niên 1970, đầu thập niên 1980s, với sự phát triển mạnh của công nghệ điều khiển phức tạp nhờ máy tính, hệ thống FMS đã được ứng dụng thành công. Hệ thống FMS dược ứng dụng chủ yếu ở US trong các lónh vực chế tạo ô tô, xe cơ giới, máy bay…Hệ thống FMS điển hình bao gồm: • Thiết bò xử lý: Maý công cụ, hệ thống lắp ráp, Rôbot. • Thiết bò xử lý phôi: Robot, băng tải, Hệ thống vận chuyển tự động (AGV : Automated guided vehicles) hệ thống lưu kho tự động (AS:Automated storage) và hệ thống truy xuất (RS: Retrieval System) May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC 6 • Hệ thống trao đổi thông tin. • Hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer controlled system) • Con người ( Human operator). • Hệ thống thay dao tự động (automated tool changers). FMS tạo nên một bước tiến mới hướng đến việc tích hợp hoàn toàn qúa trình san xuất, dựa trên các hệ thống, quan điểm tự động hóa sau: • CNC • DNC II • Hệ thống xử lý phôi liệu tự động (Automated material handling system.) • Công nghệ nhóm (Group Technology) Một số mô hình FMS điển hình Hình 1.6. Single machine cell May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC 7 Hình 1.7. Multiple workstation Cell Hình.8. FMS với hệ thống lưu, xuất kho tự động. AS/RS May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC 8 Hình 1.9. FMS ở hãng sản xuất Vought Aircraft 1.6/ Hệ thống sản xuất tích hợp (CIM: Computer Intergated Manufacturing/ flexible design and manufacturing) - Ý tường về hệ thống sx tích hợp được Josheph Harington đề cập đến vào năm 1974, nhưng phải qua hàng chục năm đến đầu thập niên 1990s, hệ thống này mới được ứng dụng thành công ở Mỹ. CIM là hệ thống tích hợp toàn bộ các thành phần của qúa trình sx, được xử lý và điều khiển bởi máy tính. Từ việc phân tích thò trường,thiết kế, chuẩn bò phôi liệu, chuẩn bò và tổ chức sx, kiểm tra chất lượng sản phảâm cho đến cả việc phân phối ra thò trường. Với sự ra đời của công nghệ CIM, lòch sử phát triển của sản xuất xã hội đã trải qua các giai đoạn sau: - Sản xuất thủ công - Sản xuất cơ khí hóa, chuyên môn hóa - Tự đông hóa sản xuất. - Tích hợp sản xuất - Các thành phần cơ bản của hệ thống CIM bao gồm (Hình 1.10). • CAD/CAM (Computer-aided design/Computer-aided manufacturing) • CAPP (Computer-aided process planning) • ERP (Enterprise resource planning) • CNC machine tools May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC 9 • DNC • FMS • ASRS( automated storage and retrieval systems ) • AGV ( automated guided vehicles ) • Robotics • Automated conveyance systems • Computerized scheduling and production control • CAQ (Computer-aided quality assurance) • A business system integrated by a common database. • Lean Manufacturing Hình 1.10 Các thành phần của hệ thống CIM. Với việc tích hợp qúa trình sản xuất, năng xuất tăng lên nhiều lần, giảm chi phí lao động, giảm thời gian thiết kế và phát triển sản phẩm, chất lượng thiết kế cao hơn, tính linh hoạt của hệ thống rất cao giúp đáp ứng nhanh nhu cầu của thò trường, tăng lợi thế cạnh tranh. Trong hệ thống CIM, cần có sự chia sẽ thông tin giửa các bộ phận để tăng tính linh hoạt và hoạt động của các khâu hiệu qủa hơn. . May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC 1 CHƯƠNG 1 TỰ ĐỘNG HÓA QÚA TRÌNH SẢN XUẤT – SỰ RA ĐỜI CỦA MÁY CNC Trong nửa thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự ra đời và phát. system ) • 5/. Máy công cụ (Machine tool) 6/. Hệ thống phản hồi (Feedback system) May CNC & Công Nghệ Gia Công Trên Máy CNC 4 Hình 1. 4. Cấu trúc của máy CNC 1. 4/ DNC II. dụng trên các máy NC, và thế hệ máy CNC đã ra đời. Với CNC, mỗi máy NC được phục vụ bởi 1 PLC hoặc Computer riêng. Điều này cho phép chương trình có thể nhập và lưu trữ riêng trên mỗi máy CNC.